基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實踐教學(xué)虛擬化初探

廣東省海洋工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校 周秋燕

0 引言

科學(xué)技術(shù)飛速前進(jìn)的步伐推動社會、經(jīng)濟(jì)和文化等領(lǐng)域形態(tài)的不斷革新。近年來，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，使得各種先進(jìn)的信息技術(shù)得以實現(xiàn)，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就是其中一門熱門的、全新的綜合性信息技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)，也叫VR技術(shù)，是指利用電腦或其它智能計算機(jī)設(shè)備為體驗者構(gòu)建一個虛擬的三維立體空間以供其在內(nèi)隨心所欲的觀察和體驗，并通過各種關(guān)于視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬，得到類似于現(xiàn)實的真實感受的一種交互式視景仿真技術(shù)，是一項綜合應(yīng)用了圖像處理、仿真和傳感等多種計算機(jī)軟硬件技術(shù)的嶄新技術(shù)。具體地講，其采用的核心技術(shù)主要包括虛擬環(huán)境建模技術(shù)、立體顯示技術(shù)、聲音合成技術(shù)及觸覺反饋技術(shù)等。通過三維數(shù)據(jù)的輸入實現(xiàn)虛擬環(huán)境的模型創(chuàng)建，為體驗者創(chuàng)造出虛擬的立體三維空間環(huán)境，借助立體顯示技術(shù)和聲音的合成技術(shù)，為觀察者建立起360度全方位視覺感知和聽覺體驗，通過觸覺反饋技術(shù)讓體驗者獲得觸覺感受，可直接對各種虛擬對象實施操作，借助各種佩戴系統(tǒng)和傳感設(shè)備實現(xiàn)人機(jī)之間的相互交流，最終讓體驗者獲得如同身臨其境一般的感受。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，體驗者能夠進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，通過對虛擬環(huán)境中各種對象的控制，與虛擬環(huán)境融為一體，從而獲得更深的感知。

1 實踐教學(xué)虛擬化教學(xué)概述

在教學(xué)活動中，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生在計算機(jī)模擬環(huán)境中開展教學(xué)試驗、實訓(xùn)，獲取更加真實的感受，被稱之為實踐教學(xué)虛擬化[1]。通過教學(xué)實踐的虛擬化，不僅能讓學(xué)生更加深刻的感受到知識和技能的應(yīng)用環(huán)境，同時還能作為學(xué)生就業(yè)前的先期體驗，有較大的實際意義。虛擬化教學(xué)，可以預(yù)見，它將會是傳統(tǒng)教學(xué)模式的一次重大變化，對教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的改善會有重要的引領(lǐng)作用。

教學(xué)過程中，有一些工作場所或環(huán)境，比如易燃易爆場所、高溫作業(yè)場所等，由于本身具有高危險性，考慮到學(xué)生安全問題，學(xué)校通常不會配置相應(yīng)的實踐場地，即使配有相關(guān)場地，亦不敢讓學(xué)生在其中進(jìn)行充分的練習(xí)和實踐，故，當(dāng)談及此類教學(xué)內(nèi)容時，教師往往會選擇口頭表述或者略過不講等方式，然而其中所涉及的一些求生知識和技能又是學(xué)生必須掌握的。遇到上述問題，若能借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，無疑地能為教學(xué)實踐帶來天然優(yōu)勢。我們可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，模擬出與實踐內(nèi)容相關(guān)的工作場景或環(huán)境，為學(xué)生提供幾乎與現(xiàn)實環(huán)境完全相同的虛擬空間，學(xué)生可以在虛擬空間中對各種虛擬對象實施操作，獲得與真實情況相類似的實踐體驗，此外，他們還可以在虛擬空間中進(jìn)行反復(fù)的操作和訓(xùn)練，達(dá)到技能鞏固的目的。如此，不僅能較好地實現(xiàn)教學(xué)目的，良好地保障學(xué)生的安全，最重要的是，還可以較大限度地節(jié)約成本，在教學(xué)實踐中具有較大的實際意義。

如圖1中所示，學(xué)生正在運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)汽車配件的裝配。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用機(jī)械裝配實踐中

通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持，教師還可在教學(xué)過程中為學(xué)生提供眾多的行業(yè)環(huán)境或工作場景的假設(shè)模型，學(xué)生可以在多種不同環(huán)境下通過完成各種不同類型的教學(xué)任務(wù)，得到更多與實際環(huán)境類似的體驗和鍛煉，既能豐富學(xué)生的專業(yè)知識，還能充分地磨練學(xué)生的專業(yè)技能，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用價值

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，能夠為學(xué)生創(chuàng)造出接近于實際的工作場景，與傳統(tǒng)實踐模式相比，其突出優(yōu)勢主要體現(xiàn)以下幾方面。

2.1 彌補(bǔ)教學(xué)資源不足

在教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，往往需要各種實驗場地、設(shè)備、資源等，這對于學(xué)校來說需要較大的投入，也導(dǎo)致很多教學(xué)實踐無法展開，此種境況在實驗、實訓(xùn)設(shè)備投入力度都較大的工科類專業(yè)建設(shè)中更為常見。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效彌補(bǔ)教學(xué)資源的不足，學(xué)生即使置身教室，也同樣能夠獲得與真實場景近似或相同的體驗，達(dá)到強(qiáng)化對知識的理解，加深對知識的印象，增強(qiáng)動手能力的目的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實施，成本相對較低，而且能夠反復(fù)使用，教學(xué)成本的節(jié)約效果明顯。

2.2 降低真實操作的危險性

在學(xué)生的學(xué)習(xí)活動中，有一些實驗可能帶有較強(qiáng)的危險性，或是對學(xué)生的健康有影響，出于對學(xué)生安全的考慮，這樣的實驗往往無法開展，只能通過觀看視頻、口頭表述等方式來替代。然而，對于中職學(xué)生來講，不能親身參與的試驗，感受不強(qiáng)，理解不深，預(yù)期的教學(xué)效果往往都較難達(dá)成。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以很好地為學(xué)生規(guī)避掉實驗的危險性，讓其體驗如何在各種危險或危及健康的環(huán)境下完成相關(guān)的作業(yè)，由于學(xué)生無需擔(dān)心安全問題，還能更好地擺脫了各種束縛，有利于學(xué)生在實驗中展開各種嘗試，這對培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)新意識亦具有積極意義。

2.3 打破時空限制

應(yīng)用虛擬技術(shù)，教學(xué)實踐能夠打破時間和空間的限制。學(xué)生既可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，近距離感受到宇宙天體，也能夠進(jìn)入原子內(nèi)部感知微觀神奇，讓教學(xué)實踐不再局限于現(xiàn)實。如，在學(xué)習(xí)橋梁施工的過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠直接進(jìn)入橋梁施工現(xiàn)場，對橋梁各部分的構(gòu)建實施近距離觀察，了解各個構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，而且還能對橋梁建筑的全過程實施觀察，這種體驗不僅觀看視頻無法得到，即使是現(xiàn)場實踐也不一定能得到。此外，由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)不受時空限制，學(xué)生能夠自由安排學(xué)習(xí)進(jìn)度，在最恰當(dāng)?shù)臅r刻通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)展開教學(xué)實踐，這對學(xué)習(xí)實踐顯然有更好的效果[2]。

2.4 有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以發(fā)揮自身創(chuàng)造力，突破設(shè)備、儀器的限制，展開更加廣泛的實驗，所以說虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生在掌握相關(guān)知識的前提下，在虛擬環(huán)境中能夠更加便捷的展開試驗，這對于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、創(chuàng)新能力以及問題解決能力都有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

3 實踐教學(xué)虛擬化的應(yīng)用途徑

通常來說，實踐教學(xué)包括了實驗、實習(xí)和實訓(xùn)三種不同的形式。實踐教學(xué)對于學(xué)生理解、鞏固、掌握和應(yīng)用知識有重要意義，對培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、分析能力、知識轉(zhuǎn)化能力以及問題解決能力都有十分積極的影響。然而，實踐教學(xué)的實際開展卻往往要受制于各種客觀條件，虛現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，有效的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實踐教學(xué)中的不足，保障了實踐教學(xué)的順利開展。

其主要的應(yīng)用途徑如下。

3.1 虛擬化實驗

虛擬化實驗，就是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，通過電腦對現(xiàn)實中的實驗環(huán)境做出模擬。學(xué)生運(yùn)用電腦在模擬實驗環(huán)境中展開各種實驗（包括現(xiàn)實環(huán)境中無法實現(xiàn)的實驗），并從中得到各種效果體驗。

虛擬化實驗是當(dāng)前實踐教學(xué)開展較為經(jīng)濟(jì)的最有效途徑。

比如，在“電子工作臺”軟件中，學(xué)生可以運(yùn)用軟件平臺上提供個各種元件，設(shè)計各種電路，包括數(shù)字電路與模擬電路，并通過各種虛擬檢測設(shè)備來測試各節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而檢測電路狀態(tài)，以此來獲得與真實電路相同的實驗感受。還有，運(yùn)用《幾何光學(xué)實驗室》軟件，能夠在其平臺上完成各種透鏡試驗，通過電腦軟件，讓學(xué)生直接獲得真實試驗感受；更重要的是，該軟件最近研制的第三代，能夠?qū)⒃囼瀳鼍巴耆蒙碛谌S虛擬空間中，通過VR Classes（虛擬教室）呈現(xiàn)出真正的三維場景，從而為實驗者提供最真實的試驗觀感。

3.2 虛擬化實習(xí)

實習(xí)也是教學(xué)活動中重要的環(huán)節(jié)之一。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，運(yùn)用多媒體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建一個虛擬實習(xí)基地，學(xué)生在這個虛擬實習(xí)基地中能夠獲得各種工作的實習(xí)體驗。

比如，醫(yī)學(xué)院使用虛擬實習(xí)基地讓學(xué)生模擬手術(shù)場景，這樣在沒有患者的情況下也能夠感知手術(shù)操作，有助于學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的掌握；更重要的是，在這種虛擬場景下，學(xué)生可以多次反復(fù)練習(xí)，強(qiáng)化手術(shù)技巧，并且由于沒有真實患者，因此允許學(xué)生展開多種嘗試，幫助學(xué)生建立更加全面的認(rèn)識。再比如，土木工程學(xué)生借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對一個工程項目實施全過程的細(xì)節(jié)觀察，而且還能夠?qū)Ω鞣N施工方法做多種嘗試，從而了解不同施工工藝的優(yōu)缺點。真實的工程進(jìn)度耗時幾月甚至幾年，學(xué)生不可能完全了解全過程，而且真實的場景也不允許做嘗試性模擬，所以虛擬技術(shù)的作用更加明顯的得以體現(xiàn)[3]。

3.3 虛擬化實訓(xùn)

對于大多數(shù)工科院校學(xué)生來說，工程訓(xùn)練是必不可少的實踐教學(xué)內(nèi)容，然而受制于設(shè)備數(shù)量，實習(xí)時間往往較為有限。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，能夠讓學(xué)生運(yùn)用虛擬儀器和設(shè)備，完成工程實訓(xùn)，虛擬儀器和設(shè)備能夠為學(xué)生創(chuàng)造更多的動手機(jī)會，幫助學(xué)生提升分析能力、動手能力和問題解決能力。比如，在數(shù)控機(jī)床實訓(xùn)中，學(xué)生可以通過對虛擬數(shù)控機(jī)床的標(biāo)稱，完成編程實踐。學(xué)生首先對要加工的零件編制加工代碼，然后將代碼輸入虛擬數(shù)控機(jī)床，如果編程存在語法錯誤，虛擬設(shè)備就會將錯誤代碼與錯誤位置指出；如果是非語法錯誤，虛擬設(shè)備就會加工出錯誤形狀；學(xué)生通過運(yùn)用虛擬技術(shù)，能夠多次嘗試，以熟練掌握數(shù)控機(jī)床的編程方法。另外，對于建筑設(shè)計的學(xué)生來說，運(yùn)用虛擬技術(shù)能夠直接讓學(xué)生設(shè)計的作品呈現(xiàn)出來，還可以讓學(xué)生通過在建筑物內(nèi)的近距離觀察，了解設(shè)計的合理性，從而有助于改善設(shè)計方案，提升學(xué)生的設(shè)計能力。

4 實踐教學(xué)虛擬化存在的不足

盡管我們在前文中討論了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)具有十分積極的意義，然而我們也必須明白，虛擬化時實踐教學(xué)依然有其局限性。不管虛擬現(xiàn)實技術(shù)與真實場景如何近似，不管虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠給予觀察者怎樣真實的感受，虛擬操作與真實操作依然存在差異。盡管虛擬化實踐教學(xué)具有較高的應(yīng)用價值，但是虛擬場景依然不能取代真實操作。

虛擬化實踐教學(xué)的局限性主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

第一，虛擬技術(shù)無法完全體現(xiàn)真實場景中的各種突然性和不可控問題。比如，在學(xué)習(xí)電路時候，感受不到正負(fù)極連接錯誤帶來的真實效果；在進(jìn)行機(jī)械裝配時，無法感受到裝配錯誤帶來的真實影響等。由于虛擬場景是基于一定原則建立的，真實環(huán)境中的很多突發(fā)性因素 ，虛擬環(huán)境中無法完全體現(xiàn)。

第二，學(xué)生在虛擬實驗中，若只是按部就班地按照常規(guī)完成實驗，就不可能獲得新發(fā)現(xiàn)或者得出新結(jié)論。虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過程序?qū)︻A(yù)設(shè)場景進(jìn)行再現(xiàn)，若只進(jìn)行特定操作，就只能產(chǎn)生與之相應(yīng)的預(yù)設(shè)結(jié)果，不會脫離人們的認(rèn)知而得到其他結(jié)論。在這個程度上來說，虛擬試驗只能作為一種演示性教學(xué)，不能取代真正的實踐教學(xué)，特別是那些具有創(chuàng)造性目的的試驗[4]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)中，有助于學(xué)生認(rèn)識科學(xué)原理，加強(qiáng)知識的理解，強(qiáng)化技能的訓(xùn)練，提升專業(yè)能力，但它無法模擬出現(xiàn)實場景中存在的隨機(jī)性因素和突變性因素，它基本上很難產(chǎn)生預(yù)設(shè)結(jié)果之外的結(jié)論，所以只能作為實踐教學(xué)的輔助方法。

5 小結(jié)

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是未來可能改變世界的技術(shù)之一，得到人們的高度重視。雖然當(dāng)前虛擬技術(shù)相關(guān)設(shè)備較為昂貴，在生活中的普及程度也不高，然而可以預(yù)見的是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來必然有著廣闊的發(fā)展空間。對于應(yīng)用在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來說，對教學(xué)顯然具有很高的價值，作為實踐教學(xué)的輔助手段，應(yīng)當(dāng)?shù)玫酱罅χС趾屯茝V。

[1]張志國.虛擬技術(shù)在測繪工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇科技信息,2017(11):74-75.

[2]袁瑛,沈平.虛擬技術(shù)在實踐教學(xué)模式變革中的運(yùn)用研究[J].電腦知識與技術(shù),2017,13(11):144-145.

[3]彭曙光.土木工程專業(yè)實踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用[J].新課程(教育學(xué)術(shù)版),2009(11):77.

[4]虞飛華,鄭韜,朱錫瑞,華冠萍,張華音.“計算機(jī)技能實訓(xùn)”課程虛擬實踐教學(xué)模式研究[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,16(04):59-61.